在由機(jī)床、刀具,、工件組成的系統(tǒng)上進(jìn)行切削加工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,，有許多因素和參數(shù)（如工件毛坯裕量不勻、材料硬度不一,、刀具磨損,、刀刃積屑瘤、受力變形,、切削振動(dòng)和熱變形等）將使切削過(guò)程不能處于最佳狀態(tài),，從而影響切削過(guò)程的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益,，甚至還會(huì)影響切削過(guò)程的正常進(jìn)行,。為了解決這一問(wèn)題，在20世紀(jì)60年代,，提出了一種機(jī)床的自適應(yīng)控制方法,，在切削加工過(guò)程中采用該方法能根據(jù)隨時(shí)變化的實(shí)際切削條件及時(shí)修正切削用量。

　　根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）思想,，建立了數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程MRAC模型,，然后對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)過(guò)程仿真。同時(shí),，分別對(duì)加工過(guò)程的反饋閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制進(jìn)行仿真,，并將這3種仿真結(jié)果進(jìn)行比較,，從仿真結(jié)果可以看出，MRAC的機(jī)床切削加工性能指標(biāo)最好,。

1 數(shù)控機(jī)床MRAC的工作原理

　　數(shù)控機(jī)床的MRAC是以機(jī)床,、刀具、工件系統(tǒng)所完成的切削過(guò)程作為調(diào)節(jié)對(duì)象,。該控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示,。它除了一般數(shù)控機(jī)床的位置和速度控制回路以外,，還增加了MRAC反饋回路,。當(dāng)系統(tǒng)受到各種隨機(jī)因素的干擾后，切削過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)立刻發(fā)生變化,，通過(guò)傳感器隨時(shí)檢測(cè)這些參數(shù)的數(shù)值并經(jīng)轉(zhuǎn)換,，在MRAC控制單元中與給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)或約束條件（即期望的性能指標(biāo)）進(jìn)行判別和比較，得到性能指標(biāo)偏差,，然后給主機(jī)CNC輸出校正信號(hào),，對(duì)系統(tǒng)的輸人參數(shù)進(jìn)行修正，從而使切削過(guò)程向預(yù)定的指標(biāo)和條件轉(zhuǎn)變,，以達(dá)到最佳狀態(tài),。

 

 

2 機(jī)床切削加工MRAC模型的建立

　　機(jī)床切削加工過(guò)程MRAC模型如圖2所示，由伺服機(jī)構(gòu),、切削過(guò)程,、參考模型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、前饋裝置和反饋裝置等環(huán)節(jié)組成,。

 

 

　　伺服環(huán)節(jié)可用一個(gè)二節(jié)系統(tǒng)表示：

　　（1）

　　式中：s為拉氏變換的算子;u為伺服輸入（V）;Kn為伺服增益（mm/（V·s））;ωn為伺服系統(tǒng)的自然頻率（rad/s）;v為進(jìn)給速度（mm/s）;ξ為阻尼系數(shù);f為進(jìn)給量（mm/r）,，可表示為：

　　（2）

　　式中：n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）;戶為銑削時(shí)刀具的齒數(shù)，車(chē)削時(shí)p=1,。

　　考慮到參考模型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是作為理想的性能指標(biāo),，因此，該環(huán)節(jié)依然和伺服機(jī)構(gòu)的環(huán)節(jié)一樣,，即

　　切削加工過(guò)程的靜態(tài)切削力Fs可表示為：

　　（3）

　　式中：Ks為切削比力（N/mm2）,，m為指數(shù)（一般m<1），Ks,、m都取決于工件材料和刀具形狀;a為背吃刀量（mm）,。

　　根據(jù)不同加工過(guò)程特性，F(xiàn)s動(dòng)態(tài)過(guò)程也可由式（3）表示,。假設(shè)m=1,，其動(dòng)態(tài)過(guò)程可用一個(gè)一階系統(tǒng)來(lái)表示：

　　 （4）

　　式中：τ為時(shí)間常數(shù)。

模型中的前饋裝置和反饋裝置都是比例環(huán)節(jié),，比例系數(shù)為K,。

　　因此,，根據(jù)以上各個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的組成，可以得到如圖3所示的切削加工過(guò)程MRAC的數(shù)學(xué)控制模型,。

 

 

3 機(jī)床加工過(guò)程MRAC的切削性能

　　在機(jī)床加工過(guò)程中,，切削性能的好壞不僅對(duì)零件的質(zhì)量會(huì)有很大的影響，而且還很容易損壞刀具,。而機(jī)床,、刀具、工件系統(tǒng)的切削過(guò)程是個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程,，它經(jīng)常受外界很多不確定因素干擾,，導(dǎo)致切削過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)發(fā)生變化。如果不及時(shí)調(diào)整,，切削性能就會(huì)大大下降,。通過(guò)MRAC調(diào)節(jié)，可以使切削性能的參數(shù)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)以機(jī)床加工過(guò)程中切削力恒定在設(shè)定值為例來(lái)說(shuō)明隨外界因素（以背吃刀量的變化為例）干擾時(shí)MRAC能及時(shí)調(diào)整切削力,，使之一直處于期望的切削力。根據(jù)實(shí)驗(yàn),，已知加工模型中參數(shù)Ks=1500N/mm2,，n=600r/min，Kn=0.95mm/（V·s）,，ξ=0.68,，p=1，m=1,，ωn=22rad/s,，背吃刀量從1～3mm按正弦曲線變化，設(shè)定切削力的期望值為1000N,。將以上參數(shù)代人圖3的數(shù)學(xué)控制模型中,，利用MATLAB/SIMULINK工具可得到如圖4所示的仿真圖，其仿真結(jié)果如圖5所示,。

 

 

　　從圖5中的仿真結(jié)果可以看到,，背吃刀量的變化與進(jìn)給速度的變化剛好相反，也就是說(shuō),，如果背吃刀量增加,，進(jìn)給速度就降低，以保持切削力恒定在1000N上,，反之亦然,。所以，MRAC系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)并準(zhǔn)確調(diào)節(jié)加工過(guò)程的進(jìn)給速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的恒力控制,。

4 MRAC和傳統(tǒng)閉環(huán)及開(kāi)環(huán)控制的切削性能比較

　　4.1 傳統(tǒng)閉環(huán)及開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的切削性能仿真

　　參照MRAC仿真圖4可分別建立閉環(huán)和開(kāi)環(huán)仿真圖（開(kāi)環(huán)仿真圖無(wú)反饋,，其它同閉環(huán)仿真，可參照閉環(huán)圖,，本文已略）,，如圖6所示，其仿真結(jié)果如圖7和8所示,。從仿真結(jié)果可以看到閉環(huán)控制的切削力基本也能使其恒定在1000N左右,，而開(kāi)環(huán)控制的切削力就遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了1000N。

 

　　4.2 3種控制系統(tǒng)之間的切削性能誤差分析

　　從以上3種控制的仿真結(jié)果圖可以大致對(duì)它們的加工切削性能誤差進(jìn)行分析,。首先,，MRAC系統(tǒng)的誤差可大致求得：

      

　　閉環(huán)控制系統(tǒng)的誤差可求得：

　　

　　

　　開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的誤差可求得：

　　

　　式中：E（X）和E（S）分別表示誤差的上下偏差。

　　通過(guò)比較,，可以發(fā)現(xiàn)MRAC系統(tǒng)誤差最小,，所以MRAC比傳統(tǒng)閉環(huán)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)更能使車(chē)床在加工中保持良好的切削性能,。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)MATLAB/SIMULINK仿真和實(shí)驗(yàn)證明,，MRAC能夠使數(shù)控機(jī)床切削加工性能一直處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)，鑒于此,，也可以讓MRAC應(yīng)用于其它自動(dòng)化設(shè)備,。需要注意的是常規(guī)的MRAC只能適用于最小相位系統(tǒng)，而加工過(guò)程在一定采樣條件下可能是非最小相位系統(tǒng),，具有不穩(wěn)定逆零點(diǎn),，此時(shí)需要采用修正的MRAC方案。